專利名稱：基于同步相量測量技術(shù)的發(fā)電機(jī)非線性控制系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)領(lǐng)域，特別涉及一種基于同步相量測量技術(shù)的發(fā)電機(jī)非線性控制系統(tǒng)及其控制方法。

背景技術(shù)：
電力系統(tǒng)的勵磁與汽門綜合反饋控制已經(jīng)取得了很多有價值的進(jìn)展，尤其是現(xiàn)代非線性控制理論在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，各種非線性控制器的設(shè)計(jì)層出不窮，顯著改善了電力系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。然而，縱觀這些非線性控制器，其中絕大多數(shù)都是基于單機(jī)無窮大系統(tǒng)模型而設(shè)計(jì)的，即使有些為基于多機(jī)電力系統(tǒng)模型下的控制器，但均人為指定控制器的反饋信息只能是本地的狀態(tài)量，其結(jié)構(gòu)只能是一種不包含全局信息的分散控制。
現(xiàn)代電力系統(tǒng)是一個高維多變量、高度非線性、強(qiáng)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，在同步參考坐標(biāo)下，其轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程的數(shù)學(xué)模型是一高維的多變量非線性微分方程?，F(xiàn)代控制理論下的電力系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)必須針對該復(fù)雜模型來實(shí)現(xiàn)，才能真正解決實(shí)際電力系統(tǒng)面臨的穩(wěn)定問題。而基于單機(jī)無窮大模型設(shè)計(jì)的控制器忽略了電力系統(tǒng)多機(jī)間耦合的影響，基于某一運(yùn)行點(diǎn)近似線性化方法受制于運(yùn)行點(diǎn)的變化，基于反饋線性化技術(shù)的控制器又面臨著維數(shù)災(zāi)問題。歸根結(jié)底，這些控制器的設(shè)計(jì)受限于數(shù)學(xué)建模問題。
此外，從時間和空間的角度看，現(xiàn)代電力系統(tǒng)又是一個地域遼闊、運(yùn)行狀態(tài)瞬息萬變的大規(guī)模系統(tǒng)，受信息技術(shù)和定時技術(shù)的制約，主流現(xiàn)代控制理論從便于反饋控制實(shí)現(xiàn)的角度極力追求不包含全局信息的分散控制，即僅用本地狀態(tài)量、量測量構(gòu)成反饋控制規(guī)律。然而，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性本質(zhì)上是一個全局問題，采用不包含全局信息的分散控制措施盡管可以一定程度上提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但是由于其沒有直接包含與穩(wěn)定性息息相關(guān)的全局反饋信息，因而這種控制作用是間接的，其有效性也會受到制約。


發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的是提出一種基于同步相量測量技術(shù)的發(fā)電機(jī)非線性控制系統(tǒng)及其方法，該控制系統(tǒng)將同步相量測量單元量測、計(jì)算得到的包括轉(zhuǎn)角慣性中心、轉(zhuǎn)速慣性中心、全系統(tǒng)的不平衡功率在內(nèi)的廣域信號與包括發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速、不平衡功率、端電壓、端電流、有功功率、無功功率在內(nèi)的本地量測信號相結(jié)合來得到反饋控制規(guī)律，并同時對可控整流器和高壓調(diào)節(jié)汽門進(jìn)行控制來改變發(fā)電機(jī)的勵磁電壓和高壓缸機(jī)械功率，能更好地改善電力系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)、大幅度提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取技術(shù)解決方案為 基于同步相量測量技術(shù)的發(fā)電機(jī)非線性控制系統(tǒng)，包括一信息母線2，全球定位系統(tǒng)1的信息輸出接口連接在信息母線2上，子站PMU3、控制中心站4通過通信接口連接到信息母線2上，子站PMU 3的數(shù)據(jù)輸出端與本地控制器5相連接。
全球定位系統(tǒng)1將時間信號通過信息輸出接口發(fā)送到信息母線2上，子站PMU 3也同步將信息發(fā)送到信息母線2上，控制中心站4利用通信接口從信息母線2上對全球定位系統(tǒng)1的時間信號、子站PMU3的信號進(jìn)行同步處理和存儲，然后將處理結(jié)果先傳送給子站PMU3，子站PMU3再將信息傳送到本地控制器5。
子站PMU3與控制中心站4同步工作時所用的非線性控制規(guī)律是通用的，其設(shè)計(jì)方法是非線性控制的逆系統(tǒng)理論與線性二次型最優(yōu)調(diào)節(jié)器原理的結(jié)合，具體設(shè)計(jì)過程如下 設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)綜合控制系統(tǒng)的目的是提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，由于同步坐標(biāo)下多機(jī)間的穩(wěn)定等價于慣性中心坐標(biāo)下每臺發(fā)電機(jī)相對于慣性中心的穩(wěn)定，從穩(wěn)定的角度講，這就相當(dāng)于將n機(jī)系統(tǒng)化為n個兩機(jī)系統(tǒng)，進(jìn)一步，兩機(jī)系統(tǒng)可以分別等值為單機(jī)系統(tǒng)。因此，在慣性中心坐標(biāo)下綜合控制器的設(shè)計(jì)模型是n個單機(jī)系統(tǒng)，每個單機(jī)系統(tǒng)可獨(dú)立設(shè)計(jì)控制器，此時其模型階數(shù)為4，易于求解反饋控制規(guī)律，且不需人為指定控制器結(jié)構(gòu)。
基于同步相量測量技術(shù)的發(fā)電機(jī)非線性控制方法 首先，通過測量和計(jì)算，分別得到慣性中心坐標(biāo)下的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角度θi(rad)；慣性中心坐標(biāo)下的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度

；全系統(tǒng)的不平衡功率PCOI；高壓缸機(jī)械功率PHi；發(fā)電機(jī)機(jī)械功率穩(wěn)態(tài)值Pm0i；高壓缸機(jī)械功率穩(wěn)態(tài)值PHi0；q軸暫態(tài)電勢E′qi；發(fā)電機(jī)的慣性常數(shù)TJi(s)；發(fā)電機(jī)的阻尼系數(shù)Di；d軸開路暫態(tài)時間常數(shù)T′d0i；d軸電流Idi；d軸同步電抗xdi；d軸暫態(tài)電抗x′di，根據(jù)能量守恒定律和發(fā)電機(jī)的工作原理，建立如下設(shè)計(jì)模型 其次，根據(jù)逆系統(tǒng)方法，建立發(fā)電機(jī)用于勵磁和汽門綜合控制的反饋線性化狀態(tài)方程 其中，z1＝Vti，z2＝θi，Vti為發(fā)電機(jī)的端電壓；或簡寫為矩陣表達(dá)式 其中 線性二次型調(diào)節(jié)器問題下的該控制系統(tǒng)性能指標(biāo)為 其中，Q∈Rn×n為對應(yīng)于狀態(tài)量的對稱權(quán)矩陣，R∈Rl×l為對應(yīng)于控制量的對稱權(quán)矩陣。
此時，最優(yōu)控制問題就是，對線性系統(tǒng)式，給定初始條件Z(t0)＝Z0，尋求最優(yōu)控制規(guī)律U*(t)，使性能指標(biāo)泛函J達(dá)到極小值。
根據(jù)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可選取權(quán)矩陣Q、R為對角陣，即R＝diag{[r1，r2]}，Q＝diag{[q1，q2，q3，q4]}，由線性二次型最優(yōu)調(diào)節(jié)器原理，便可得到線性系統(tǒng)的最優(yōu)反饋控制規(guī)律為U*(t)＝-K*X(t)即 其中，z10，z20，z30，z40為穩(wěn)態(tài)值，k1，k2，k3，k4為狀態(tài)反饋增益，K*為最優(yōu)反饋增益向量，且K*＝R-1BTP矩陣P通過Riccati代數(shù)方程式PA+ATP-PBR-1BTP+Q＝0求得。
將上述線性系統(tǒng)的最優(yōu)反饋控制規(guī)律代入到原非線性系統(tǒng)中，便可得到發(fā)電機(jī)綜合控制系統(tǒng)的最終反饋控制規(guī)律為 其中 最后，對上述反饋控制規(guī)律進(jìn)行如下的處理 在控制規(guī)律表達(dá)式u1*和u2*中，控制器的反饋量可分為全局信息和本地信息兩部分。全局信息包括轉(zhuǎn)角慣性中心、轉(zhuǎn)速慣性中心和全系統(tǒng)的不平衡功率，隨著同步相量測量裝置PMU在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，廣域測量系統(tǒng)WAMS逐漸構(gòu)成，因此，這些全局信息可經(jīng)測量、計(jì)算得到。而在本地信息中，q軸空載電勢Eqi、d軸電流Idi和q軸電流Iqi很難直接量測到，為了反饋控制規(guī)律的實(shí)用化，這些量必須被轉(zhuǎn)化為可量測量。
根據(jù)電網(wǎng)絡(luò)理論，在忽略發(fā)電機(jī)定子繞組電阻時，發(fā)電機(jī)內(nèi)部的電壓降(Eqi-Vti)可近似表示為 此外，對于汽輪發(fā)電機(jī)而言，當(dāng)不計(jì)及凸極效應(yīng)時，即認(rèn)為xdi≈xqi時，可得 Pei≈EqiIqi 再由電流方程式可得 至此，便可以將Eqi、Idi和Iqi轉(zhuǎn)化為可量測量Qei、Pei、Iti。
權(quán)矩陣Q、R的選擇對系統(tǒng)的最優(yōu)控制是非常重要的。主導(dǎo)特征值的實(shí)部充分反映了系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)，因此可以利用主導(dǎo)特征值的實(shí)部大小來選擇權(quán)矩陣系數(shù)。另外，在選取權(quán)矩陣時還必須考慮反饋增益的大小，因?yàn)樵趯?shí)際系統(tǒng)中，控制量是有限度的，超過其限度的控制量將被“限幅”，即此時的控制規(guī)律已不再是最優(yōu)控制規(guī)律。選取權(quán)矩陣需考慮的第三個因素是其所對應(yīng)的狀態(tài)變量的物理意義，即根據(jù)對相應(yīng)物理量重視程度及實(shí)際非線性系統(tǒng)的動態(tài)性能來選擇權(quán)矩陣系數(shù)。
依據(jù)上述這三個選擇因素，最終選擇的權(quán)矩陣為R＝diag{[1，1]}，Q＝diag{[47，50，100，50]}，此時的反饋增益矩陣K為 需說明的是，在慣性中心坐標(biāo)下，發(fā)電機(jī)非線性模型通過逆系統(tǒng)方法反饋線性化為線性系統(tǒng)的系數(shù)矩陣是定常矩陣，同時由于均勻阻尼的數(shù)值較小(其數(shù)量級為10-4)，該系數(shù)矩陣可認(rèn)為不隨具體發(fā)電機(jī)而變，這樣，根據(jù)最優(yōu)控制理論所得到的反饋增益矩陣K將是固定不變的，換句話說，本設(shè)計(jì)所得到的線性系統(tǒng)的最優(yōu)反饋控制規(guī)律是通用的，進(jìn)一步，所得到的非線性最優(yōu)反饋控制規(guī)律也是通用的。
本發(fā)明僅利用發(fā)電機(jī)出口量測信息制訂最優(yōu)綜合反饋控制規(guī)律并調(diào)節(jié)勵磁電壓和高壓缸機(jī)械功率，與輸電網(wǎng)的具體結(jié)構(gòu)無關(guān)，具有廣泛適用性。



圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理圖。
圖2是WSCC-4機(jī)系統(tǒng)沖擊負(fù)荷下安裝不同控制器時的第1、4臺機(jī)之間的相對轉(zhuǎn)角響應(yīng)曲線圖。
圖3是WSCC-4機(jī)系統(tǒng)無故障斷線下安裝不同控制器時的第1、4臺機(jī)之間的相對轉(zhuǎn)角響應(yīng)曲線圖。
圖4是WSCC-4機(jī)系統(tǒng)三相短路故障下安裝不同控制器時的發(fā)電機(jī)動態(tài)響應(yīng)曲線圖，在圖4(a)中，取第4臺發(fā)電機(jī)為參考機(jī)，圖4(b)給出了不同控制器作用下第1臺發(fā)電機(jī)的端電壓動態(tài)響應(yīng)曲線。
圖5是WSCC-4機(jī)系統(tǒng)三相短路故障下安裝不同控制器時的系統(tǒng)頻率響應(yīng)曲線圖。

具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
基于同步相量測量技術(shù)的的發(fā)電機(jī)非線性控制器，包括一信息母線2，全球定位系統(tǒng)1的信息輸出接口連接在信息母線2上，子站PMU3、控制中心站4通過通信接口連接到信息母線2上，子站PMU 3的數(shù)據(jù)輸出端與本地控制器5相連接。
基于同步相量測量技術(shù)的發(fā)電機(jī)非線性控制方法，全球定位系統(tǒng)1將時間信號通過信息輸出接口發(fā)送到信息母線2上，子站PMU 3也同步將信息發(fā)送到信息母線2上，控制中心站4利用通信接口從信息母線2上對全球定位系統(tǒng)1的時間信號、子站PMU3的信號進(jìn)行同步處理和存儲，然后將處理結(jié)果先傳送給子站PMU3，子站PMU3再將信息傳送到本地控制器5。
基于同步相量測量技術(shù)的發(fā)電機(jī)非線性控制方法 首先，通過測量和計(jì)算，分別得到慣性中心坐標(biāo)下的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角度θi(rad)；慣性中心坐標(biāo)下的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度

；全系統(tǒng)的不平衡功率PCOI；高壓缸機(jī)械功率PHi；其它參數(shù)如發(fā)電機(jī)機(jī)械功率穩(wěn)態(tài)值Pm0i；高壓缸機(jī)械功率穩(wěn)態(tài)值PHi0；q軸暫態(tài)電勢E′qi；發(fā)電機(jī)的慣性常數(shù)TJi(s)；發(fā)電機(jī)的阻尼系數(shù)Di；d軸開路暫態(tài)時間常數(shù)T′d0i；d軸電流Idi；d軸同步電抗xdi；d軸暫態(tài)電抗x′di假設(shè)為已知，根據(jù)能量守恒定律和發(fā)電機(jī)的工作原理，建立如下設(shè)計(jì)模型 其次，根據(jù)逆系統(tǒng)方法，建立發(fā)電機(jī)用于勵磁和汽門綜合控制的反饋線性化狀態(tài)方程 其中，z1＝Vti，z2＝θi，Vti為發(fā)電機(jī)的端電壓；或簡寫為矩陣表達(dá)式 其中 線性二次型調(diào)節(jié)器問題下的該控制系統(tǒng)性能指標(biāo)為 其中，Q∈Rn×n為對應(yīng)于狀態(tài)量的對稱權(quán)矩陣，R∈Rl×l為對應(yīng)于控制量的對稱權(quán)矩陣。
此時，最優(yōu)控制問題就是，對線性系統(tǒng)式，給定初始條件Z(t0)＝Z0，尋求最優(yōu)控制規(guī)律U*(t)，使性能指標(biāo)泛函J達(dá)到極小值。
根據(jù)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可選取權(quán)矩陣Q、R為對角陣，即R＝diag{[r1，r2]}，Q＝diag{[q1，q2，q3，q4]}，由線性二次型最優(yōu)調(diào)節(jié)器原理，便可得到線性系統(tǒng)的最優(yōu)反饋控制規(guī)律為U*(t)＝-K*X(t)即 其中，z10，z20，z30，z40為穩(wěn)態(tài)值，k1，k2，k3，k4為狀態(tài)反饋增益，K*為最優(yōu)反饋增益向量，且K*＝R-1BTP矩陣P通過Riccati代數(shù)方程式PA+ATP-PBR-1BTP+Q＝0求得。
將上述線性系統(tǒng)的最優(yōu)反饋控制規(guī)律代入到原非線性系統(tǒng)中，便可得到發(fā)電機(jī)綜合控制系統(tǒng)的最終反饋控制規(guī)律為 其中 最后，對上述反饋控制規(guī)律進(jìn)行必要的處理如下 在控制規(guī)律表達(dá)式u1*和u2*中，控制器的反饋量可分為全局信息和本地信息兩部分。全局信息包括轉(zhuǎn)角慣性中心、轉(zhuǎn)速慣性中心和全系統(tǒng)的不平衡功率，隨著同步相量測量裝置PMU在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，廣域測量系統(tǒng)WAMS逐漸構(gòu)成，因此，這些全局信息可經(jīng)測量、計(jì)算得到。而在本地信息中，q軸空載電勢Eqi、d軸電流Idi和q軸電流Iqi很難直接量測到，為了反饋控制規(guī)律的實(shí)用化，這些量必須被轉(zhuǎn)化為可量測量。
根據(jù)電網(wǎng)絡(luò)理論，在忽略發(fā)電機(jī)定子繞組電阻時，發(fā)電機(jī)內(nèi)部的電壓降(Eqi-Vti)可近似表示為 此外，對于汽輪發(fā)電機(jī)而言，當(dāng)不計(jì)及凸極效應(yīng)時，即認(rèn)為xdi≈xqi時，可得 Pei≈EqiIqi 再由電流方程式可得 至此，便可以將Eqi、Idi和Iqi轉(zhuǎn)化為可量測量Qei、Pei、Iti。
權(quán)矩陣Q、R的選擇對系統(tǒng)的最優(yōu)控制是非常重要的。主導(dǎo)特征值的實(shí)部充分反映了系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)，因此可以利用主導(dǎo)特征值的實(shí)部大小來選擇權(quán)矩陣系數(shù)。另外，在選取權(quán)矩陣時還必須考慮反饋增益的大小，因?yàn)樵趯?shí)際系統(tǒng)中，控制量是有限度的，超過其限度的控制量將被“限幅”，即此時的控制規(guī)律已不再是最優(yōu)控制規(guī)律。選取權(quán)矩陣需考慮的第三個因素是其所對應(yīng)的狀態(tài)變量的物理意義，即根據(jù)對相應(yīng)物理量重視程度及實(shí)際非線性系統(tǒng)的動態(tài)性能來選擇權(quán)矩陣系數(shù)。
依據(jù)上述這三個選擇因素，最終選擇的權(quán)矩陣為R＝diag{[1，1]}，Q＝diag{[47，50，100，50]}，此時的反饋增益矩陣K為 需說明的是，在慣性中心坐標(biāo)下，發(fā)電機(jī)非線性模型通過逆系統(tǒng)方法反饋線性化為線性系統(tǒng)的系數(shù)矩陣是定常矩陣，同時由于均勻阻尼的數(shù)值較小(其數(shù)量級為10-4)，該系數(shù)矩陣可認(rèn)為不隨具體發(fā)電機(jī)而變，這樣，根據(jù)最優(yōu)控制理論所得到的反饋增益矩陣K將是固定不變的，換句話說，本設(shè)計(jì)所得到的線性系統(tǒng)的最優(yōu)反饋控制規(guī)律是通用的，進(jìn)一步，所得到的非線性最優(yōu)反饋控制規(guī)律也是通用的。
為了評價所述的基于同步相量測量技術(shù)的發(fā)電機(jī)非線性控制器控制作用與效果，引入另外兩種控制器加以比較，一種是傳統(tǒng)的PID控制器，其參數(shù)為典型參數(shù)，選自經(jīng)典文獻(xiàn)或?qū)嶋H系統(tǒng)；另外一種是應(yīng)用微分幾何方法和最優(yōu)控制理論所設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)非線性分散最優(yōu)綜合控制器NDOC，對比本發(fā)明和NDOC可知，二者的區(qū)別僅在于本發(fā)明中包含了轉(zhuǎn)角慣性中心、轉(zhuǎn)速慣性中心和全系統(tǒng)的不平衡功率這三種廣域信息。發(fā)電機(jī)參數(shù)、元件參數(shù)和運(yùn)行方式如下見表1、表2、表3， 表1同步發(fā)電機(jī)參數(shù)
表2變壓器和線路參數(shù)
表3運(yùn)行方式(1p.u.＝100MVA)
汽輪發(fā)電機(jī)勵磁與汽門系統(tǒng)的輸入限幅取為 0≤ufgi≤2.2VfNi/kfi，|uvgi|≤1，i＝1，2，3，4 式中，VfNi為勵磁繞組額定電壓。
系統(tǒng)故障情況如下 (1)小干擾方式系統(tǒng)總負(fù)荷為630MW，干擾為在8號節(jié)點(diǎn)上出現(xiàn)40MW的沖擊負(fù)荷。
(2)大干擾方式 ①無故障斷線0秒無故障斷開8號節(jié)點(diǎn)和11號節(jié)點(diǎn)之間的線路。
②短路故障在5號節(jié)點(diǎn)和6號節(jié)點(diǎn)之間的一回線上0秒發(fā)生三相短路故障，并在t時刻切除故障線路。
當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生40MW的沖擊負(fù)荷時，所有發(fā)電機(jī)均未安裝控制器(NC，No Controller)及分別安裝PIDC、NDOC及本發(fā)明時的相對轉(zhuǎn)角響應(yīng)曲線如圖2所示。由該圖可看出，與PIDC、NDOC相比，本發(fā)明不僅給系統(tǒng)提供了良好的阻尼，而且使系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)指標(biāo)，如過渡過程時間、振蕩次數(shù)及振蕩幅度都有很大的改善。同時，雖然本發(fā)明僅比NDOC多包含了轉(zhuǎn)角慣性中心、轉(zhuǎn)速慣性中心和全系統(tǒng)的不平衡功率這三種廣域信息，但由圖2中NDOC曲線與本發(fā)明曲線的比較可知，這三種廣域信息對系統(tǒng)動態(tài)性能的改善起到了較大的作用。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生無故障斷線時，其結(jié)論也是類似的，如圖3所示。
當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障并在0.2秒切除故障線路時，三種控制器分別作用下的發(fā)電機(jī)相對轉(zhuǎn)角響應(yīng)曲線如圖4所示。由圖4可看出，三種控制器都可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，但改善程度卻有很大的差別。在圖4(a)中，取第4臺發(fā)電機(jī)為參考機(jī)，由于第4臺發(fā)電機(jī)的慣性常數(shù)較大(占總慣性常數(shù)的59.9％)，所以可認(rèn)為該圖能夠正確反映三種控制器作用下的真實(shí)控制效果。當(dāng)采用PIDC時，第1臺發(fā)電機(jī)經(jīng)過4次搖擺后在4.8秒時才能平息振蕩，最大振幅是98度；當(dāng)采用NDOC時，第1臺發(fā)電機(jī)經(jīng)過3次搖擺后在3.5秒時平息振蕩，最大振幅是75度；而采用本發(fā)明時，第1臺發(fā)電機(jī)只經(jīng)過1次搖擺后在1秒時就可平息振蕩，且最大振幅只有68度。由此可見，在阻尼系統(tǒng)振蕩、減少過渡過程時間、減小振蕩幅值等方面，本發(fā)明顯著優(yōu)于PIDC和NDOC。圖4(b)給出了不同控制器作用下第1臺發(fā)電機(jī)的端電壓動態(tài)響應(yīng)曲線。從該圖可看出，在本發(fā)明作用下的發(fā)電機(jī)端電壓要比PIDC、NDOC作用下的更快地趨于穩(wěn)定?？傊?，圖4清晰地表明與PIDC、NDOC相比，本發(fā)明提供了更好的阻尼，更顯著地改善了大干擾下系統(tǒng)的轉(zhuǎn)角和電壓的暫態(tài)特性。
圖5給出了上述三相短路故障時三種控制器分別作用下的系統(tǒng)頻率響應(yīng)曲線。由圖5可知，在NDOC的控制作用下，系統(tǒng)的頻率回到工頻(50Hz)，雖然本發(fā)明與PIDC并沒有使系統(tǒng)的頻率回到工頻，但仍在系統(tǒng)頻率的允許偏移內(nèi)(±0.2～0.5Hz)。
所以三相短路故障時不同控制器作用下的臨界切除時間(CCT，Critical Clearing Time)，在三種控制器中，本發(fā)明最顯著地提高了故障臨界切除時間(提高了75.9％)，大幅度地增強(qiáng)了系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性見表4 表4發(fā)電機(jī)分別安裝不同控制器時的臨界切除時間

權(quán)利要求
1、基于同步相量測量技術(shù)的發(fā)電機(jī)非線性控制器，其特征在于，包括一信息母線(2)，其特征在于，全球定位系統(tǒng)(1)的信息輸出接口連接在信息母線(2)上，子站PMU(3)、控制中心站(4)通過通信接口連接到信息母線(2)上，子站PMU(3)的數(shù)據(jù)輸出端與本地控制器(5)相連接。
2、基于同步相量測量技術(shù)的發(fā)電機(jī)非線性控制方法，其特征在于，全球定位系統(tǒng)(1)將時間信號通過信息輸出接口發(fā)送到信息母線(2)上，子站PMU(3)也同步將信息發(fā)送到信息母線(2)上，控制中心站(4)利用通信接口從信息母線(2)上對全球定位系統(tǒng)(1)的時間信號、子站PMU(3)的信號進(jìn)行同步處理和存儲，然后將處理結(jié)果先傳送給子站PMU(3)，子站PMU(3)再將信息傳送到本地控制器(5)。
3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于同步相量測量技術(shù)的發(fā)電機(jī)非線性控制方法，其特征在于，
首先，通過測量和計(jì)算，分別得到慣性中心坐標(biāo)下的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角度θi(rad)；慣性中心坐標(biāo)下的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度
全系統(tǒng)的不平衡功率PCOI；高壓缸機(jī)械功率PHi；其它參數(shù)如發(fā)電機(jī)機(jī)械功率穩(wěn)態(tài)值Pm0i；高壓缸機(jī)械功率穩(wěn)態(tài)值PHi0；q軸暫態(tài)電勢E′qi；發(fā)電機(jī)的慣性常數(shù)TJi(s)；發(fā)電機(jī)的阻尼系數(shù)Di；d軸開路暫態(tài)時間常數(shù)T′d0i；d軸電流Idi；d軸同步電抗xdi；d軸暫態(tài)電抗x′di，根據(jù)能量守恒定律和發(fā)電機(jī)的工作原理，建立如下設(shè)計(jì)模型
其次，根據(jù)逆系統(tǒng)方法，建立發(fā)電機(jī)用于勵磁和汽門綜合控制的反饋線性化狀態(tài)方程
其中，z1＝Vti，z2＝θi，Vti為發(fā)電機(jī)的端電壓；或簡寫為矩陣表達(dá)式
其中
線性二次型調(diào)節(jié)器問題下的該控制系統(tǒng)性能指標(biāo)為
其中，Q∈Rn×n為對應(yīng)于狀態(tài)量的對稱權(quán)矩陣，R∈Rl×l為對應(yīng)于控制量的對稱權(quán)矩陣；
此時，最優(yōu)控制問題就是，對線性系統(tǒng)式，給定初始條件Z(t0)＝Z0，尋求最優(yōu)控制規(guī)律U*(t)，使性能指標(biāo)泛函J達(dá)到極小值；
根據(jù)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可選取權(quán)矩陣Q、R為對角陣，即R＝diag{[r1，r2]}，Q＝diag{[q1，q2，q3，q4]}，由線性二次型最優(yōu)調(diào)節(jié)器原理，便可得到線性系統(tǒng)的最優(yōu)反饋控制規(guī)律為U*(t)＝-K*X(t)即
其中，z10，z20，z30，z40為穩(wěn)態(tài)值，k1，k2，k3，k4為狀態(tài)反饋增益，K*為最優(yōu)反饋增益向量，且K*＝R-1BTP矩陣P通過Riccati代數(shù)方程式PA+ATP-PBR-1BTP+Q＝0求得。
將上述線性系統(tǒng)的最優(yōu)反饋控制規(guī)律代入到原非線性系統(tǒng)中，便可得到發(fā)電機(jī)綜合控制系統(tǒng)的最終反饋控制規(guī)律為
其中
最后，對上述反饋控制規(guī)律進(jìn)行處理如下
在控制規(guī)律表達(dá)式u1*和u2*中，控制器的反饋量可分為全局信息和本地信息兩部分，全局信息包括轉(zhuǎn)角慣性中心、轉(zhuǎn)速慣性中心和全系統(tǒng)的不平衡功率，這些全局信息可經(jīng)測量、計(jì)算得到；而在本地信息中，q軸空載電勢Eqi、d軸電流Idi和q軸電流Iqi很難直接量測到，為了反饋控制規(guī)律的實(shí)用化，這些量必須被轉(zhuǎn)化為可量測量
根據(jù)電網(wǎng)絡(luò)理論，在忽略發(fā)電機(jī)定子繞組電阻時，發(fā)電機(jī)內(nèi)部的電壓降(Eqi-Vti)可近似表示為
此外，對于汽輪發(fā)電機(jī)而言，當(dāng)不計(jì)及凸極效應(yīng)時，即認(rèn)為xdi≈xqi時，可得
Pei≈EqiIqi
再由電流方程式可得
至此，便可以將Eqi、Idi和Iqi轉(zhuǎn)化為可量測量Qei、Pei、Iti。
4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于同步相量測量技術(shù)的發(fā)電機(jī)非線性控制方法，其特征在于，選擇的權(quán)矩陣為R＝diag{[1，1]}，
Q＝diag{[47，50，100，50]}，此時的反饋增益矩陣K為
全文摘要
基于同步相量測量技術(shù)的發(fā)電機(jī)非線性控制系統(tǒng)及其方法，其控制系統(tǒng)包括一信息母線2，全球定位系統(tǒng)1的信息輸出接口連接在信息母線2上，子站PMU 3、控制中心站4通過通信接口連接到信息母線2上，子站PMU 3的數(shù)據(jù)輸出端與本地控制器5相連接，其控制方法是全球定位系統(tǒng)1將時間信號通過信息輸出接口發(fā)送到信息母線2上，子站PMU 3也同步將信息發(fā)送到信息母線2上，控制中心站4利用通信接口從信息母線2上對全球定位系統(tǒng)1的時間信號、子站PMU3的信號進(jìn)行同步處理和存儲，然后將處理結(jié)果先傳送給子站PMU3，子站PMU3再將信息傳送到本地控制器5，更好地改善了電力系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)、大幅度提高了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
文檔編號H02P9/14GK101604948SQ20091002230
公開日2009年12月16日 申請日期2009年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月30日
發(fā)明者張保會, 郝治國, 于廣亮, 安德魯·克萊門克, 薄志謙 申請人:西安交通大學(xué)